垂直折流气循环式化学反应器及其应用方法 【技术领域】
本发明涉及一种可广泛应用于化学反应工程中的化学反应设备及其应用方法，具体的说是涉及一种垂直折流气循环式化学反应器及其应用方法。背景技术
化学反应在许多情况下都涉及气液两相或气液固三相反应过程，相间传质在一般情况下都是反应速度的限制性步骤，因此强化相转移过程是加速化学反应的重要手段之一。强化相转移过程的方法通常有，增大相际界面积(提高分散性)，提高相际面积更新速度(气泡的多次破碎)，减少传质膜厚度，增大传质动力(相间浓度差)，延长相际传质时间等。在通常的搅拌全混反应器基础上，人们开发了内循环(气升、液升)反应器，以便提高气液传质速率；填料床气液固三相反应器及流化床气液固三相反应器，以提高气液传质的速率(惰性填料)及气液固三相传质速率(活性填料)“摘自化学工程手册第六卷”。除此而外，近年来人们还开发了多种新型化学反应设备与工艺过程，其中代表性的有：串式化学反应器，下行式循环流化床反应器等(现代化工，1998，第三期)。总之，在涉及气相为反应物的化学反应过程中，譬如，常压空气氧化如加压空气氧化，湿式空气氧化，臭氧氧化，纯氧氧化，气相(气体)催化氧化等，气相向液相的转移速率和效率就有着至关重要的意义，气相氧化剂的利用率取决于上述各种因素，同时利用率也决定了化学反应过程的经济性及可用性，因此，反应器及其强化有时就决定了一个化学反应过程的可行性。发明内容
本发明的目的就在于提供一种能够在化学反应过程中充分提高气液两相湍流程度、相间界面积大，气液接触时间长，气体反应剂利用率高的垂直折流气循环式化学反应器及其应用方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的化学反应器包括至少由两级反应罐组成，第一级反应罐地底部设置有一个三通管进口，其顶部通过导流管与下一级反应罐的底部相连通，在位于第一级和中间级的每个反应罐顶部的导流管上，通过三通管联通有一带有气泵的循环管，该循环管的另一管口与本级的反应罐下部相连通；在末级反应罐的顶部开设有出气口和出液口。
在所述反应罐内充填有惰性填料，当然也可充填反应性填料；为进一步提高反应效果，在所述反应罐外壁上包附有加热介质层。
本发明所述的化学反应器的应用方法包括
(a)、将气、液反应物经设置在所述第一级反应罐底部的三通管混合后进入第一级反应罐内进行化学反应；(b)、在反应罐内进行气液反应之后，气体在气液分离器中分相，气体经过所述气泵、循环管返回到本级反应罐底部进行二次反应；(c)、经过一级反应后的部分气液混合物通过导流管进入到下一级反应罐内进行化学反应，依次直到最后一级反应罐，气体从最后一级反应罐顶部的出气口排出，液体从该反应罐上部出液口排出。
上述反应罐的操作压力可以分为高压(5MPa以上)、中压(5MPa--1MPa)、低压(1MPa--0.01MPa)和微压(小于0.01MPa)；对于用氧化能力低的空气作为氧化剂的反应过程一般采用高压，对于固相催化及液相催化空气氧化的反应过程一般用中压，对于采用一般氧化剂进行氧化的时候用低压，采用强氧化剂氧化时用微压，微压反应时压力一般来自液相净液柱压力，而其它情况需要利用最后一级的压力调节阀来完成压力的控制。
设置在所述反应罐内的填料根据反应性不同可分成两类：惰性填料和反应性填料，前者仅为了提高气液湍流增强传质效果，而后者则为反应催化剂，催化剂载体或反应剂，作为惰性载体的填料包括不锈钢材质的各类化工填料，陶瓷材质的各类化工填料，塑料材质的各类化工填料，以及其他满足操作条件的填料，作为反应性填料常用金属氧化物类催化剂及载体，活性碳类催化剂及载体，天然及人造沸石分子筛催化剂及载体，及固体反应剂如铁屑等还原反应剂和脱硫剂。
气液分离罐应考虑气液比的大小，保证分相较彻底，尽量减少液体夹带进入气泵内，选择有效容积时按气体停留时间为2-3分钟考虑。
本发明的突出创新点在于采用本级循环方式提高气体利用率，同时还将未完全反应的气体与液体并流向下输送到第二级反应器的底部，进行第二级的化学反应，尤其重要的是在向下输送气液混合物时，由于气体受浮力要向上运动，而液体靠压力向下运动，此时的相对运动趋势有效的提高了气液湍流及气液反应时间，该反应时间可以根据气液流量，气液比和管径有效的控制以达到不同的反应时间要求，通过如此的多级反应过程，使气体利用率可达到95％以上，气液传质速率也得到大大地提高，同时也有效降低了生产成本，减少了有害气体对环境的污染。附图说明
图1为本发明化学反应器的结构示意图。具体实施方式
如图所示，本发明所述的化学反应器包括至少由两级反应罐1组成，第一级反应罐1的底部设置有一个三通管进口，其顶部通过导流管2与下一级反应罐1的底部相连通，在位于第一级和中间级的每个反应罐1顶部的导流管2上，通过三通管联通有一带有气泵3的循环管4，该循环管4的另一管口与本级的反应罐1下部相连通，在末级反应罐1的顶部开设有出气口5和出液口6。在所述反应罐1内充填有惰性填料，当然也可充填反应性填料；为进一步提高反应效果，在所述反应罐1外壁上包附有加热介质层。
本发明所述的使用方法包括(a)、将气、液反应物经设置在所述第一级反应罐1底部的三通管混合后进入第一级反应罐1内进行化学反应；(b)、在反应罐1内进行气液反应之后，气体在气液分离器中分相，气体经过所述气泵3、循环管4返回到本级反应罐1底部进行二次反应；(c)、经过一级反应后的气液混合物通过导流管2进入到下一级反应罐1内进行化学反应，依次直到最后一级反应罐1，气体从最后一级反应罐1顶部的出气口5排出，液体从该反应罐1上部出液口6排出。
上述反应罐1的操作压力可以分为高压(5MPa以上)、中压(5MPa--1MPa)、低压(1MPa--0.01MPa)和微压(小于0.01MPa)；对于用氧化能力低的空气作为氧化剂的反应过程一般采用高压，对于固相催化及液相催化空气氧化的反应过程一般用中压，对于采用一般氧化剂进行氧化的时候用低压，采用强氧化剂氧化时用微压，微压反应时压力一般来自液相净液柱压力，而其它情况需要利用最后一级的压力调节阀来完成压力的控制。
设置在所述反应罐1内的填料根据反应性不同可分成两类：惰性填料和反应性填料，前者仅为了提高气液湍液增强传质效果，而后者则为反应催化剂，催化剂载体或反应剂，作为惰性载体的填料包括，不锈钢材质的各类化工填料，陶瓷材质的各类化工填料，塑料村质的各类化工填料，以及其他满足操作条件的填料，作为反应性填料常用金属氧化物类催化剂及载体，活性碳类催化剂及载体，天然及人造沸石分子筛催化剂及载体，及固体反应剂如铁屑等还原反应剂和脱硫剂。
气液分离罐应考虑气液比的大小，保证分相较彻底，尽量减少液体夹带进入气泵3内，选择有效容积时按气体停留时间为2-3分钟考虑。